A qualidade da superfície das peças fundidas é uma função de cada etapa que toca o padrão, molde e metal - desde a condição da matriz/padrão e reologia do material do padrão até a preparação da casca/revestimento facial, desparafinação e queima de projéteis, derreter, derramando, resfriamento e manuseio final.
Controlando a rugosidade da superfície (Ra) e evitar irregularidades em microescala exige atenção rigorosa às ferramentas, Materiais, parâmetros de processo e manuseio pós-fundição.
Este artigo analisa os principais fatores, quantifica faixas de controle práticas sempre que possível, e fornece recomendações viáveis de processo e inspeção.
1. Fatores Relacionados ao Molde
O molde serve como base para elenco de investimento, pois sua qualidade determina diretamente a forma e o estado da superfície do padrão de cera, que é finalmente transferido para o elenco final.
O impacto dos moldes na qualidade da superfície do padrão de cera pode ser elaborado a partir de três aspectos:
Projeto da Estrutura do Molde e Qualidade da Superfície
O projeto irracional da estrutura do molde muitas vezes leva a arranhões e escoriações durante a desmoldagem do padrão de cera. Superfícies com padrão de cera reparadas são inevitavelmente inferiores às originais, e esses defeitos serão replicados diretamente na superfície de fundição.
Por exemplo, cantos afiados (sem filetes R<0.3mm), ângulos de inclinação insuficientes (<1° para cavidades complexas), ou superfícies de separação irregulares na estrutura do molde aumentam o atrito entre o padrão de cera e a cavidade do molde, causando danos à superfície durante a desmoldagem.
A rugosidade da superfície do molde é um fator decisivo para a qualidade da superfície do padrão de cera. Se a rugosidade da superfície do molde for apenas Ra3,2μm, o padrão de cera resultante terá uma qualidade de superfície ainda menor (Ra4,0–5,0μm), que é transmitido diretamente para a fundição.
A experiência prática mostra que a rugosidade superficial ideal do molde deve ser controlada dentro de Ra0,8μm; suavidade excessiva (Por exemplo, Ra0,2μm) não melhora significativamente a qualidade do padrão de cera, mas aumenta os custos de processamento do molde em 30% a 50%.
Controle de temperatura do molde
A temperatura do molde tem um impacto significativo na fluidez da cera e na precisão da replicação. Para sistemas de cera de média temperatura, a temperatura ideal do molde é 45–55℃.
Quando a temperatura do molde está muito baixa (<35℃), a fluidez do material de cera diminui drasticamente, resultando em replicação superficial deficiente do padrão de cera, acompanhado por marcas de fluxo e fechamentos a frio.
Mais criticamente, se a temperatura do molde cair abaixo do ponto de orvalho da água (normalmente 15–20℃ em oficinas), numerosas gotas de água se formarão na superfície do molde.
Essas gotículas ocupam o espaço do material ceroso durante a injeção, levando a uma superfície de padrão de cera irregular - um defeito também causado pelo excesso de agente desmoldante (espessura de pulverização >5μm).
Manter uma temperatura adequada do molde é essencial. Aumentar adequadamente a temperatura do molde (a 50–55 ℃) e pressão de injeção (para 0,3–0,5 MPa) pode efetivamente melhorar a fluidez do material de cera, melhorar a capacidade de replicação do padrão de cera na superfície do molde, e assim melhorar indiretamente a qualidade da superfície de fundição.
No entanto, temperatura do molde excessivamente alta (>60℃) pode fazer com que o material de cera esfrie e solidifique muito lentamente, levando à deformação do padrão de cera (desvio dimensional >0.5mm) e aumentando o tempo do ciclo de produção, exigindo um equilíbrio entre qualidade e eficiência.
Tamanho da porta de injeção de cera
O tamanho da porta de injeção de cera afeta diretamente a pressão de injeção e a velocidade de enchimento de cera.
Para pequenas peças fundidas (peso <500g), o diâmetro ideal da comporta é **φ8–φ10mm**; para grandes peças fundidas (peso >500g), o diâmetro da porta pode ser aumentado para φ10–φ12mm.
Aumentar adequadamente o tamanho da porta ajuda a aumentar a pressão de injeção de cera, garantir o preenchimento completo da cavidade do molde, e reduzir defeitos superficiais, como preenchimento insuficiente e marcas de fluxo no padrão de cera.
Para fundições complexas com paredes finas (<2mm), projeto multi-porta (2–4 portões) é recomendado para melhorar ainda mais a uniformidade do enchimento.
2. Impacto do material de cera
O tipo e o desempenho do material de cera são fatores essenciais que determinam a qualidade da superfície do padrão de cera, já que diferentes materiais de cera exibem comportamentos distintos de cristalização e solidificação.
Mesa 1 resume os principais parâmetros de desempenho e efeitos de qualidade de superfície de materiais de cera comuns para fundição de precisão.
Mesa 1: Comparação de desempenho de materiais de cera comuns para fundição de precisão
| Tipo de material de cera | Faixa de temperatura de cristalização | Temperatura ideal de injeção | Rugosidade da superfície do padrão de cera (Ra) | Cenário de aplicação |
| Cera de baixa temperatura (Ácido parafina-esteárico) | 48–52℃ (faixa estreita) | 60–65°C | 4.0–5,0μm | Fundições de baixa precisão (Requisito de Ra >6.3μm) |
| Cera de média temperatura (Mistura multicomponente) | 55–65°C (ampla gama) | 70–75℃ | 1.6–3,2μm | Fundições de precisão geral (Requisito de Ra 3,2–6,3 μm) |
| Cera cheia (Pó cerâmico preenchido) | 60–70°C | 75–80°C | 0.8–1,6μm | Fundições de alta precisão (Requisito de Ra <3.2μm) |
Cera de baixa temperatura (Cera de Parafina-Ácido Esteárico)
Cera de baixa temperatura, composto de parafina (60%–70%) e ácido esteárico (30%–40%), produz padrões de cera com a pior qualidade de superfície.
Como uma cera cristalina, tem uma faixa estreita de temperatura de cristalização e grãos grossos de ácido esteárico (tamanho de grão >50μm).
Durante a solidificação, não há cera líquida suficiente para preencher as lacunas entre os grãos, resultando em uma superfície áspera com padrão de cera.
Mesmo aumentando a pressão de injeção ou ajustando os parâmetros do processo, a qualidade da superfície dos padrões de cera feitos de cera de baixa temperatura não pode ser significativamente melhorada, limitando sua aplicação em fundição de alta precisão.
Cera de Média Temperatura
Cera de média temperatura, uma mistura multicomponente contendo cera microcristalina, resina, e plastificantes, não tem ponto de fusão fixo e uma faixa de temperatura de solidificação mais ampla em comparação com cera de baixa temperatura.
Durante a solidificação, devido às diferentes temperaturas de solidificação de seus componentes, a fase líquida pode preencher totalmente as lacunas entre as fases sólidas, resultando em padrões de cera com qualidade de superfície significativamente maior.
No entanto, o desempenho da cera de média temperatura varia entre os diferentes fabricantes; cera com teor de resina de 5% a 8% apresenta o melhor equilíbrio entre fluidez e suavidade da superfície.
Cera Cheia
Cera cheia, reforçado com pó cerâmico (5%–10%) ou fibra de vidro (3%–5%), produz padrões de cera com a mais alta qualidade de superfície.
A adição de cargas otimiza o comportamento de cristalização da matriz cerosa, reduz o encolhimento de solidificação (de 2.0% para 0,8% –1,2%), e aumenta a dureza da superfície e a resistência ao desgaste do padrão de cera.
Isto não só melhora a suavidade da superfície do padrão de cera, mas também reduz a deformação durante o armazenamento e transporte (taxa de deformação <0.2% dentro de 24h), garantindo uma transferência estável da qualidade da superfície para a peça fundida.
Limpeza de padrão de cera e gravação de superfície
A limpeza do padrão de cera é muitas vezes mal interpretada como apenas a remoção de agentes desmoldantes da superfície, mas sua função mais importante é gravação de superfície.
Para padrões de cera de temperatura média, o processo de limpeza ideal usa um agente de ataque neutro (concentração 5% –8%) com um valor de pH de 6,5–7,5, tempo de imersão de 1–2 minutos, seguido de enxágue com água deionizada e secagem a 40–50°C por 10–15 minutos.
Durante o processo de limpeza, um efeito de corrosão suave é formado na superfície do padrão de cera, o que aumenta a rugosidade da superfície do padrão de cera na microescala (Ra de 1,6 μm a 2,0–2,5 μm) e melhora a molhabilidade e adesão do revestimento de superfície subsequente.
A gravação adequada cria uma superfície “micro-áspera” que permite que o revestimento adira com mais firmeza, evitando descascamento do revestimento ou espessura irregular durante a secagem e torrefação.
Isto é particularmente crítico para melhorar a suavidade da superfície das peças fundidas., como um revestimento bem aderido pode replicar efetivamente a superfície do padrão de cera e evitar defeitos de penetração de areia.
4. Fatores de revestimento de superfície
O revestimento de superfície (revestimento primário) está em contato direto com o padrão de cera, e seus parâmetros de desempenho e aplicação têm um impacto decisivo na qualidade da superfície fundida.
Propriedades do material de revestimento de superfície
Embora a influência do pó superficial e da areia na qualidade da superfície seja amplamente reconhecida, o efeito do sol de sílica – um componente importante do revestimento – na qualidade da superfície é menos compreendido.
Sol de sílica de alta qualidade (seja importado ou produzido nacionalmente) com tamanho de partícula coloidal uniforme (10-20nm) e baixa viscosidade (2–5 mPa·s a 25℃) apresenta desempenho superior.
Sob a mesma viscosidade do copo de fluxo (Copa Ford #4: 20-25s), tal sol de sílica pode atingir uma proporção pó-líquido mais alta (2.5:1–3.0:1 para pasta de pó de zircão), resultando em um revestimento primário mais denso.
Um revestimento mais denso reduz a porosidade da superfície (porosidade <5%) e melhora a capacidade de replicar a superfície do padrão de cera, levando a uma superfície de fundição mais lisa (Ra reduzido em 0,4–0,8 μm em comparação ao uso de sol de sílica de baixa qualidade).
Espessura do revestimento superficial
Para pastas de pó de zircão (tamanho de partícula de pó de zircão malha 325–400), a espessura ideal do revestimento primário é 0.08–0,1 mm. Espessura excessiva e insuficiente afetam negativamente a qualidade da superfície de fundição:
- Espessura insuficiente (<0.08mm): Facilmente leva a defeitos de “espinhos de pepino” - afiados, saliências em forma de agulha (altura 0,1–0,3 mm) na superfície de fundição causada pela penetração de areia ou revestimento irregular.
- Espessura excessiva (>0.1mm): Resulta em diferentes formas de defeitos.
Devido ao encolhimento durante a secagem e torrefação (taxa de encolhimento 3% –5%), o revestimento espesso pode se separar parcialmente da superfície do padrão de cera, formando grosso, partículas convexas arredondadas (diâmetro 0,2–0,5 mm) na superfície de fundição.
O controle da espessura do revestimento requer um ajuste preciso da viscosidade da pasta (Copa Ford #4: 20-25s), tempo de imersão (5–10s), e condições de secagem (temperatura 25–30℃, umidade 40%–60%, tempo de secagem 2–4h) para garantir espessura uniforme e boa adesão.
5. Processo de desparafinação
O objetivo da desparafinação é remover completamente a cera do molde..
Para cera de média temperatura, o processo de desparafinação ideal usa uma chaleira de desparafinação a vapor com uma pressão de 0.6-0,8MPa e uma temperatura de 120–130°C, tempo de desparafinação de 15–25 minutos (ajustado de acordo com o tamanho da casca).
Cera residual na casca (fração de massa >0.5%), se não estiver totalmente queimado durante a torrefação, produzirá negro de fumo e outras impurezas, que aderem à superfície da peça fundida e degradam a qualidade da superfície - um ponto discutido mais detalhadamente na seção de torrefação.
No entanto, desparafinação completa não significa tempo de desparafinação prolongado. Sob a premissa de garantir a remoção completa da cera (cera residual <0.5%), o tempo de desparafinação deve ser minimizado.
A temperatura na chaleira de desparafinação excede a do equipamento geral de desidratação rápida, e exposição prolongada da cera a altas temperaturas (>130℃ para >30 minutos) acelera o envelhecimento da cera.
Cera envelhecida apresenta fluidez reduzida (aumento de viscosidade em 20% –30%) e aumento da fragilidade, o que pode afetar a reciclagem subsequente da cera e aumentar o risco de defeitos em novos padrões de cera.
6. Armazenamento de moldes de casca
O método de armazenamento dos moldes depende da limpeza da oficina, com o objetivo principal de minimizar ou impedir a entrada de objetos estranhos na cavidade da casca.
Mesa 2 lista os parâmetros de armazenamento ideais para moldes de casca após a desparafinação.
Mesa 2: Parâmetros ideais de armazenamento para moldes de casca desparafinada
| Parâmetro de armazenamento | Valor recomendado | Impacto e Nota |
| Ambiente de armazenamento | Temperatura 20–25℃, umidade <60%, concentração de poeira <0.1mg/m³ | A alta umidade causa absorção de umidade da casca; poeira leva à contaminação da superfície |
| Método de colocação | Coloque em prateleiras de aço inoxidável limpas, copo do sprue voltado para cima, coberto com filme PE | Evite colocar no chão ou em prateleiras de ferro (risco de contaminação por partículas de areia >80%) |
| Tempo de armazenamento | ≤24h | Armazenamento prolongado (>48h) leva à redução da resistência da casca e à oxidação da superfície |
Muitos fabricantes acreditam erroneamente que colocar a carcaça com o copo do canal voltado para baixo garante segurança, mas nem sempre é assim.
Se as conchas forem colocadas diretamente no solo ou se as estruturas de ferro estiverem contaminadas com partículas de areia e outros detritos, objetos estranhos podem entrar na cavidade durante o manuseio, causando inclusões em peças fundidas.
Tais inclusões requerem reparos por retificação e soldagem, o que prejudica gravemente a qualidade da superfície de fundição (Ra aumentou 2,0–3,0 μm após o reparo).
7. Torrefação de Molde de Casca
A cera residual no molde da casca deve ser totalmente queimada durante a torra para evitar resíduos carbonosos. O processo de torrefação ideal para cascas à base de zircão é o seguinte:
- Estágio de aquecimento: Aqueça da temperatura ambiente até 500°C a uma taxa de 5–10℃/min (aquecimento lento para evitar rachaduras na casca).
- Estágio de isolamento 1: Mantenha em 500 ℃ por 30 minutos para queimar cera residual.
- Estágio de aquecimento 2: Aquecer de 500℃ a 900–1100°C a uma taxa de 10–15℃/min.
- Estágio de isolamento 2: Mantenha em 900–1100°C por 2–3 horas para melhorar a resistência da casca e remover a umidade residual.
Para garantir a combustão completa da cera residual, o teor de oxigênio no forno de torrefação deve atingir 12% (monitorado por sensores de oxigênio em equipamentos de última geração).
Quando o conteúdo de oxigênio está apenas em torno 6%, fumaça preta espessa aparecerá em aproximadamente 800 ℃, que deve ser evitado.
Para equipamentos sem funcionalidade de fornecimento de oxigênio, abrindo parcialmente a porta do forno (lacuna 5–10 cm) aumentar a entrada de ar pode melhorar os níveis de oxigênio e promover a combustão completa da cera.
A torra adequada também aumenta a resistência da casca (força de compressão >20MPA) e reduz a porosidade da superfície, otimizando ainda mais a qualidade da superfície de fundição.
8. Fusão, limpeza e vazamento de metal
A prática de fusão e vazamento afeta a oxidação da superfície, reatividade e formação de filmes na superfície.
Principais influências
- Controle de carga e escória: materiais de carga contaminados e fluxo deficiente produzem inclusões mais altas na superfície ou filmes de óxido que retêm a rugosidade próxima à superfície.
- Temperatura e velocidade de vazamento: temperaturas de vazamento excessivamente altas podem aumentar a oxidação ou reação excessiva com a casca; uma temperatura muito baixa pode causar enchimento incompleto e rugosidade devido ao congelamento prematuro.
- Método de resfriamento pós-vazamento: controle da taxa de resfriamento e prevenção da reoxidação da superfície (Por exemplo, uso de caixas/coberturas de vazamento) ajudar a minimizar altercações superficiais.
Controles práticos
- Controle rígido da carga do forno, desoxidação eficaz e práticas limpas de fluxo/escória.
- Definir janelas de temperatura de vazamento e esquemas de portas que promovam, enchimento não turbulento para reduzir o aprisionamento de gás e a formação de filme superficial.
- Minimize a exposição à atmosfera oxidante durante a solidificação inicial (Por exemplo, uso de moldes cobertos quando apropriado).
9. Etapa Pós-Acabamento
Muitas peças fundidas exibem uma qualidade superficial aceitável imediatamente após o vazamento, mas ficam severamente danificadas após o pós-acabamento – tornando esta etapa a principal culpada pela degradação da qualidade superficial em muitos fabricantes..
Duas questões principais se destacam: danos de colisão e tiros.
Prevenção de danos por colisão
Implementar um sistema de armazenamento e transporte classificado: use bandejas de plástico com estofamento macio (Espessura da espuma EVA 5–10 mm) para pequenas peças fundidas; use acessórios dedicados para peças fundidas grandes para evitar contato direto entre peças fundidas. Isso pode reduzir a taxa de danos por colisão em mais de 80%.
Otimização do Processo de Jateamento
O jateamento é usado para remover óxidos e areia da superfície, e seus parâmetros de processo afetam diretamente a qualidade da superfície de fundição. Os parâmetros ideais de jateamento para peças fundidas de aço inoxidável são os seguintes:
- Especificações de granalha de aço: Granalha de aço fundido, diâmetro 0,3–0,5 mm, dureza HRC 40–50.
- Pressão de tiro: 0.4–0,6MPa.
- Tempo de tiro: 10–15 minutos por ciclo (não mais do que 15 minutos).
- Requisitos de equipamento: Use blasters com sistemas de projeção uniformes (uniformidade de projeção ≥90%) e controle de corrente estável (flutuação atual <5%).
O tempo de disparo deve ser rigorosamente controlado - não mais do que 15 minutos por ciclo. Se a superfície não estiver suficientemente limpa, múltiplos ciclos curtos são preferidos em vez de jateamento prolongado de ciclo único para evitar erosão superficial excessiva (Ra aumentou em 1,0–2,0μm após o excesso de detonação).
10. Conclusão
A qualidade da superfície das peças fundidas é um resultado multidisciplinar: metalurgia, processamento cerâmico, engenharia térmica e manuseio mecânico contribuem.
Tratando o acabamento superficial como um atributo de qualidade crítico do processo — definindo metas numéricas, monitoramento de parâmetros críticos (ferramenta Rá, Viscosidade de chorume, espessura da pelagem facial, desparafinar os níveis de oxigênio, derreter/derramar janelas) e incorporação de pontos de verificação de inspeção – as fundições podem produzir consistentemente suaves, peças fundidas de alta qualidade com capacidade de fabricação previsível e menores custos de retrabalho.
